保護渣對結晶器熱流分布的影響

吳軍

（新疆八一鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠， 新疆　烏魯木齊　600581）

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保護渣對結晶器熱流分布的影響

吳軍

（新疆八一鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠， 新疆烏魯木齊600581）

結合生產實踐，通過現場試驗研究了結晶器保護黏度、堿度與結晶器熱流密度的關系。結果表明：對澆鑄Q235系列鋼種，選用堿度為1.30、黏度為0.132Pa·s的保護渣，可使縱裂率降至0.9%。

保護渣結晶器熱流縱裂

結晶器保護渣主要為Al2O3、SiO2、CaO系硅酸鹽。根據CaO-SiO2-Al2O3三元系相圖，確定保護渣的基料是在硅灰石的組成范圍內含有少量的Al2O3的渣系，具有一定的熔點、黏度以及吸附Al2O3夾雜的能力。保護渣在連鑄生產中起到隔絕空氣保溫、防止鋼液二次氧化、吸附夾雜及滿足坯殼與結晶器銅板間潤滑等作用，同時對控制坯殼生長與促進結晶器間傳熱有一定作用。可見保護渣性能優劣對連鑄生產的穩定、鑄坯表面質量等有很大影響[1]。保護渣的主要性能指標有黏度、堿度、熔化溫度、熔化速度、結晶溫度等，這些性能與保護渣的化學成分及所對應的鋼種有很大關系。在連鑄時，鋼從鋼液轉變為固態，在結晶器中的傳熱是最重要的控制環節。傳熱過快或不均勻，將導致鑄坯的縱裂；傳熱不充分導致薄的坯殼易于鼓肚并拉漏。不同鋼種對熱流大小的要求是不同的。隨著拉速的提高，熱應力變得更加敏感，而傳熱將直接影響到連鑄的正常生產，故保護渣渣膜對熱流的控制極為重要[2]。

八鋼第二煉鋼廠針對Q235表面縱裂問題，在2012年3—5月間，對使用的國內某廠的板坯保護渣進行了系列試驗，通過研究保護渣的堿度、黏度對結晶器熱流、鑄坯表面裂紋率、結晶器漏鋼預報系統頻繁報警的影響，確定與現場生產工藝相匹配的保護渣。

1　工藝條件

鋼種為Q235，斷面為1 510 mm×220 mm，拉速v=1.1～1.5 m/min，鑄機半徑為9 m，振動方式為液壓振動，振動頻率f=70+70v，振幅為3.5mm。

2　鑄機參數（見表1）

表1　鑄機參數

3　影響因素分析

八鋼第二煉鋼廠在澆鑄Q235系列鋼種中出現的問題有：保護渣在結晶器內鋼液表面上渣條頻繁出現，結晶器報警系統易報警，帶鋼表面出現縱裂。為此，對渣條及保護渣進行檢驗，發現質保指標中w(Al2O3)為2.65%，而渣條中w(Al2O3)高達12.6%。這說明保護渣在澆注過程中由于大量吸附了鋼水中的Al2O3后出現變性。在對保護渣樣測定時發現，在升溫過程中，部分低熔點的物料先行熔化并流失。所以，一方面應適當控制渣中的Na2O和CaF2等助熔劑來降低渣的黏度和熔點，避免或減少槍晶石等高熔點物質的析出，防止其破壞熔渣的玻璃性；另一方面，加入適量的Li2O、MgO、BaO、B2O3、K2O等助熔劑以抑制由于保護渣吸附了夾雜物后帶來的渣膜變性問題，減少渣條的頻繁出現，使渣系在使用過程中保持良好的穩定性。本文對此作了相應的研究，如圖1、圖2所示。

圖1　Li2O含量對黏度的影響

圖2　BaO含量對熔點的影響

由圖1可知：隨著Li2O的增加，熔渣黏度大幅度降低，w(Li2O)每增加1%，其黏度降低0.32P。這說明Li2O對渣的軟化溫度、黏度影響大。隨著Li2O的增加，熔渣出現明顯的拐點，結晶率增加。因此為獲得低熔點、低黏度的具有玻璃潤滑性的熔渣須控制Li2O的加入量（質量分數）在4%以內。

由圖2可知：適量BaO的加入可降低熔渣的熔化溫度，起助熔劑的作用。礦相檢驗表明：含BaO較高的渣有較多的玻璃質，而且有玻璃光澤，渣的透明度隨BaO的增加而增加。說明適量BaO的加入有助于提高渣的玻璃化程度。另外渣中析出的結晶量也隨BaO加入量的增加有所減少，因此BaO的加入可保證在相同堿性下獲得好的玻璃性，可保證結晶器熱流曲線的穩定性，減少漏鋼報警頻次。BaO合適的加入量（質量分數）為1%～3%。

通過改變NaO、F等熔劑成分來調整渣的熔化性能，并參照保護渣的黏度經驗公式[3]lgη=lgA+B/T，對根據理論及經驗所得的幾種不同的黏度和堿度保護渣作了對比分析試驗，實驗結果如表2所示。

式中：η為黏度，Pa·s；lgA=-2.307-0.046x(SiO2)-0.07x(CaO)-0.041x(MgO)-0.185x(Al2O3)+0.035x(CaF2)-0.095x(B2O3)；B=6807.2+70.68x(SiO2)+32.58x(CaO)+ 312.65x(Al2O3)-34.77x(Na2O)-176.1x(CaF2)-67.4x(Li2O3)+ 59.7x(B2O3)；T為熱力學溫度，K。

表2　保護渣對熱流密度及裂紋率的影響

4　實驗結果及分析

從表2看出：隨著保護渣堿度的提高，結晶器熱流密度值減小，裂紋率整體呈下降趨勢，漏鋼報警次數呈上升趨勢。堿度從1.25上升到1.32，裂紋率從4.2%下降到最低值0.9%；堿度持續升高后，裂紋微有升高，結晶器漏鋼報警次數增多。結晶器熱流值的大小由保護渣晶體結構決定，結晶器漏鋼預報警頻繁則表現為熱流曲線不平穩，而熱流曲線不平穩主要是由于液渣在結晶器內鋪展不均勻或固態渣膜摩擦力大引起的。影響熱流值的因素有保護渣堿度、黏度、渣膜的厚度、渣膜的導熱系數等，本文主要從保護渣堿度、黏度的匹配對表面裂紋的影響進行討論。

保護渣堿度是反映熔體結構的指標，對保護渣的結晶特性和保護渣的凝固行為影響很大，直接關系到保護渣的導熱性能和潤滑性能，是衡量保護渣特性的重要指標。固體渣膜與結晶器間的界面熱阻來源于保護渣渣膜的形態，保護渣結晶和凝固產生一定的變形，結晶層厚度增大，界面熱阻增大，使結晶器與鑄坯之間平均傳熱速率減小，從而減少縱裂。保護渣堿度直接影響渣膜的結晶率，高堿度渣會形成高結晶率的渣膜，高結晶率的保護渣可以有效降低和控制鑄坯經渣膜向結晶器的傳熱，使鑄坯坯殼生長均勻，避免裂紋的產生，特別是包晶鋼，裂紋敏感性強，要求保護渣有適當高的堿度。從表2看，堿度從1.25上升到1.30，結晶器熱流密度值從1.432 MW/m2減小到1.374MW/m2，裂紋率從4.2%下降到最低值0.9%。這是因為隨著保護渣堿度的升高，其析晶率提高，熱阻變大，鑄坯坯殼緩慢冷卻，生長均勻性得到提高，其表面縱向裂紋率也就得到了有效的控制。當堿度繼續升高到1.32時，裂紋率有所升高。這是因為堿度提高后其析晶率也提高，固態渣膜的摩擦力增大，結晶器熱流密度不均勻，于是就出現了裂紋率從0.9%上升到1.5%，同樣從結晶器漏鋼報警次數上也可看出因熱流曲線不平穩而導致漏鋼報警次數明顯增多的情況。

保護渣結晶礦相也影響潤滑與傳熱。例如產生大量霞石（Na2O·Al2O3·2SiO2）時摩擦力急劇增大，黏結漏鋼發生幾率增大；而產生鈣黃長石時黏結漏鋼發生幾率則下降。各種礦物具有不同的導熱系數，其次序為：結晶相>玻璃相；硅灰石（CS）>鈣黃長石（C2AS）>尖晶石>霞石（NAS2）。

增大堿度，使CS相區減小，而尖晶石和霞石相區擴大，因此降低熱傳導系數，使結晶器熱流減小，從而減少了縱裂。

在澆鑄低合金鋼過程中，保護渣液渣吸收鋼中Al(S)等氧化物、碳化物或氮化物后，黏度等特性會發生較大變化，改變結晶器角部銅板的熱流密度，顯著惡化初生坯殼的冷卻和潤滑條件，導致摩擦力增大和應力集中，二冷擴展而產生角部橫向裂紋，在薄弱處產生凹陷甚至表面縱裂紋。因此，為了提高保護渣的吸附夾雜能力，防止其黏度發生較大變化，使液渣導入均勻，無需挑渣條，維持傳熱均勻和潤滑性好，使坯殼均勻緩冷，避免表面缺陷，應選擇合適的黏度。

通過研究鑄坯表面質量和摩擦力與拉速v關系得出：隨著拉速的增加，黏度降低。拉速v和黏度η的乘積v·η影響結晶器導熱均勻性即影響初生坯殼厚度均勻性，故而對縱裂有很大影響，并且當v·η=1.5～3.5時，導熱不均勻指數ΔT≤10℃（當ΔT=20~30℃時，表明導熱不均，容易產生縱裂），可獲得好的冶金效果，如圖3所示。由此得出保護渣的黏度為1.0～2.0P。

保護渣的傳熱系數隨著保護渣黏度的增加而降低。黏度大的保護渣形成的渣膜中玻璃相占絕大部分，液渣膜很薄；黏度小的保護渣渣膜厚度增加，傳熱系數也就相應變大；同時，黏度增加，也可使結晶器和保護渣間氣隙增大，同樣使保護渣傳熱系數變小[4]。在結晶器熱流曲線上表現為：熱流曲線不穩定，結晶器熱能量值忽高忽低，保護渣的熱阻隨著黏度的增加而增加。因為保護渣的熱阻與它的傳熱系數成反比。

圖3　v·η與導熱不均勻性指數的關系

結合表2分析，在較低堿度1.25時，由于熱流密度大，鑄坯冷卻較快，鑄坯與結晶器的間隙較大，液渣在結晶器和鑄坯間導入均勻，同時堿度低，玻璃相成分較多，鑄坯與結晶器間的摩擦力小，固態渣膜不易脫落，故其熱流曲線平穩，結晶器漏鋼報警系統報警次數幾乎為零，但是因為其熱流密度大，坯殼冷卻強度大，故其裂紋率較高，達到4.6%。

從表2看出：在低堿度條件下，當堿度在不大于1.28時，黏度的大小對熱流曲線的平穩度影響較大，對裂紋率影響較小，高黏度時固態渣膜摩擦力小，熱流曲線平穩，結晶器漏鋼報警系統不會發生報警現象；在堿度高于1.28時，當熱流曲線不平穩，熱流密度不均勻，會影響到裂紋率的高低。

綜合以上因素并結合現場使用效果，選擇堿度為1.30、黏度為0.132Pa·s（1300℃時）的保護渣，裂紋率降到0.9%，大幅提高了鑄坯成品率。

5　結論

1）從理論上研究保護渣堿度、黏度對結晶器熱流分布的影響，并結合生產應用，有效控制板坯的裂紋率，并選擇保護渣堿度不小于1.25的保護渣。本文選擇最佳堿度為1.30。

2）減少結晶器漏鋼報警的發生頻次，應控制好保護渣的黏度不發生大的變化，特別是吸附夾雜后液渣不變性，黏度穩定。本文同時選用Li2O、BaO作助熔劑，選擇黏度為0.132Pa·s的保護渣。實驗結果表明：選用堿度為1.30、黏度為0.132Pa·s的保護渣，縱裂率減小到0.35%，大幅度提高了鑄坯的成品率。

[1]遲景浩，甘永年.連鑄保護渣[M].沈陽：東北大學出版社，1993.

[2]蔡開科.連鑄技術的進展[J].煉鋼，2001，17（3）：6-14.

[3]Pinheiro C A，Samarasekera I V，Brimacombe J K.Moldfiux for continuous casting of steel(I)[J].I&SM,1995，22（1）：43.

[4]申俊峰.連鑄坯質量與結晶器保護渣[J].冶金譯叢，1999（1）：54.

（編輯：胡玉香）

Influence of Physical-chemical Properties of Mold Slag on Heat Flux in the Mold

WU Jun
（Second Steel Mill，Xinjiang Bayi Iron&Steel Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 600581）

The relationship of the viscosity,basicity and the heat flux density of mold is studied through on-site experimental in combination with the production practice.Results show that in casting the Q235 steel,the occurrence rate of the longitudinal cracking can be reached 0.90%if the basicity and viscosity is 1.30 and 1.32 P.

mold powder，heat flux in mold，longitudinal crack

TF703.6

A

1672-1152（2016）02-0022-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.08

2016-03-14

吳軍（1975—），男，從事連鑄技術工作，工程師。